《高二物理同步课堂帮帮帮（新教材人教版选择性必修第三册）》3.2-3.3热力学第一定律和能量守恒定律

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第三章热力学定律

第2节热力学第一定律和能量守恒定律

一、热力学第一定律

1．内容：一个热力学系统的内能增量等于外界向它传递的热量与外界对它所做的功的和．

2．数学表达式：ΔU＝Q ＋ W .

3．对热力学第一定律的理解

(1)对ΔU＝W＋Q的理解：做功和热传递都可以改变内能，如果系统跟外界同时发生做功和热传递的过程，

那么外界对系统所做的功 W加上物体从外界吸收的热量 Q等于系统内能的增加 ΔU，即 ΔU＝Q＋W.

(2)对ΔU、Q、W符号的规定

①功W：外界对系统做功，W>0，即 W为正值；

系统对外界做功，W<0，即 W为负值．

②热量Q：系统吸热为正，Q>0；

系统放热为负，Q<0.

③ 内能变化：系统内能增加，ΔU>0，即 ΔU为正值；

系统内能减少，ΔU<0，即 ΔU为负值．

4．判断是否做功的方法

一般情况下外界对系统做功与否，需看系统的体积是否变化．

(1)若系统体积增大，表明系统对外界做功，W<0；

(2)若系统体积变小，表明外界对系统做功，W>0.

二、能量守恒定律

1．大量事实表明，各种形式的能量可以相互转化，并且在转化过程中总量保持不变．

2．能量既不能凭空产生，也不能凭空消失，它只能从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移

到别的物体，在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变．

3．能量守恒定律是自然界中最普遍、最重要的规律之一．

4、能量守恒定律的理解

不同形式的能量之间可以相互转化

(1)各种运动形式都有对应的能，如机械运动对应机械能，分子热运动对应内能等．

(2)不同形式的能量之间可以相互转化，如“摩擦生热”机械能转化为内能，“电炉取热”电能转化为内能

等．

三、永动机不可能制成

1．第一类永动机：人们把设想的不消耗能量的机器称为第一类永动机．

2．第一类永动机由于违背了能量守恒定律，所以不可能制成．

(1)不消耗能量而能源源不断地对外做功的机器，叫第一类永动机．因为第一类永动机违背了能量守恒定律，

所以无一例外地归于失败．

(2)永动机给我们的启示

人类利用和改造自然时，必须遵循自然规律．

四、气体实验定律和热力学第一定律的综合应用

气体实验定律和热力学第一定律的结合点是温度和体积．注意三种特殊过程的特点：

1．等温过程：内能不变，ΔU＝0

2．等容过程：体积不变，W＝0

3．绝热过程：Q＝0

【例题 1】(多选)当物体的内能增加时，下列说法正确的是(　　)

A．物体一定吸收了热量

B．外界一定对物体做了功

C．不可能是物体放出热量，同时对外做功

D．有可能是物体放出热量，同时外界对物体做功

【答案】CD

【解析】做功和热传递是改变内能的两种方式，外界对系统做功如压缩乙醚气体实验，会使系统内能增加，

系统吸收热量也会使内能增加，反之内能减少，所以系统内能是否增加应看做功和热传递的总效果．故

【解析】为C、D.

【例题 2】如图所示，一个质量为 20 kg 的绝热汽缸竖直放置，绝热活塞的质量为 5 kg，处于静止状态时被

封闭气体的高度为 50 cm，现在在活塞上方加一 15 kg 的物体，待稳定后，被封闭气体的高度变为 40 cm.

求：在这一过程中气体的内能增加多少？(g取10 m/s2，不考虑活塞的大气压力及摩擦阻力)

【答案】由能的转化与守恒定律可知，内能的增加等于活塞和物体重力势能的减少，ΔU＝ΔE＝(M＋

m)gh＝(15＋5)×10×(50－40)×10－2 J＝20 J.

【解析】　20 J

【例题 3】(多选)一定量的理想气体从状态 a开始，经历三个过程 ab、bc、ca 回到原状态，其 pT 图象

如图 1035 所示．下列判断正确的是(　　)

A．过程 ab 中气体一定吸热

B．过程 bc 中气体既不吸热也不放热

C．过程 ca 中外界对气体所做的功等于气体所放的热

D．a、b和c三个状态中，状态 a分子的平均动能最小

E．b和c两个状态中，容器壁单位面积单位时间内受到气体分子撞击的次数不同

【答案】　ADE

【解析】　由pT 图象可知过程 ab 是等容变化，温度升高，内能增加，体积不变，由热力学第一定律

可知过程 ab 一定吸热，选项 A正确；过程 bc 温度不变，即内能不变，由于过程 bc 体积增大，所以气体对

外做功，由热力学第一定律可知，气体一定吸收热量，选项 B错误；过程 ca 压强不变，温度降低，内能减

少，体积减小，外界对气体做功，由热力学第一定律可知，放出的热量一定大于外界对气体做的功，选项

C错误；

温度是分子平均动能的标志，由 pT 图象可知，a状态气体温度最低，则平均动能最小，选项 D正确；

b、c两状态温度相等，分子平均动能相等，由于压强不相等，所以单位面积单位时间内受到气体分子撞击

的次数不同，选项 E正确．

1、关于物体内能变化的说法正确的是(　　)

A．一定质量的晶体在熔化过程中内能保持不变

B．一定质量的气体在体积膨胀过程中内能一定增加

C．一定质量的物体在热膨胀过程中内能不一定增加

D．一定质量的物体在体积保持不变的过程中，内能一定不变

2．“第一类永动机”是不可能制成的，这是因为它(　　)

A．不符合热力学第一定律

B．做功产生的热量太少

C．由于有摩擦、热损失等因素的存在

D．找不到合适的材料和合理的设计方案

3．（多选）下列过程可能发生的是(　　)

A．物体吸收热量，对外做功，同时内能增加

B．物体吸收热量，对外做功，同时内能减少

C．外界对物体做功，同时物体吸热，内能减少

D．外界对物体做功，同时物体放热，内能增加

4、汽车关闭发动机后，沿斜面匀速下滑的过程中(　　)

A．汽车的机械能守恒

B．汽车的动能和势能相互转化

C．汽车的机械能转化成内能，汽车的总能量减少

D．汽车的机械能逐渐转化为内能，汽车的总能量守恒

5、如图所示，某同学将空的薄金属筒开口向下压入水中．设水温均匀且恒定，筒内空气无泄漏，不计气

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